8.11. Материалы кабельного производства в составе силовых кабелей установок ЭЦН

Основными элементами кабелей и проводов, применяемых в тех­ нике и технологии добычи нефти, в том числе и силовых кабелей ЭЦН являются токопроводящие жилы, изоляция и защитные покровы.

Токопроводящая жила. Основные требования к материалам токо­ проводящих жил: высокая электропроводность, механические харак­ теристики и коррозийная стойкость, а также технологичность, эконо­ мичность и недефицитность. Высокая электропроводность и размер (площадь сечения) жил — это параметры, которые оказывают реша­ ющее влияние на допустимый ток нагрузки. Значение электропро­ водности определяет выбор сечений токопроводящих жил. Высокие механические характеристики проводниковых материалов обеспечи­ вают работоспособность кабельных изделий при растяжении, изгибе, кручении, вибрации. Высокая коррозийная стойкость обуславливает их сохранность при воздействии климатических и химических фак­ торов. В силовых кабелях для установок ЭЦН применяются медные токопроводящие жилы.

М ед ь — металл красноватого цвета, отличающийся высокой элек­ трической проводимостью. Наличие даже незначительного количест­ ва примесей резко снижает электропроводность меди и их допустимое количество для материала, применяемого в кабельном производстве, должно быть не более 0,1%. Для производства медной проволоки ис­ пользуется катанка медная, осветленная, полученная способом непре­ рывного литья и прокатки. Катанка изготовляется марки КМО (катан­ ка медная осветленная) трех классов качества — А, В, С. Номинальные диаметры катанки: 8,0; 9,5; 10,0; 11,4; 12,7; 13,0; 16,0; 18,0; 22,0.

Свойства катанки или отожженной проволоки, протянутой из ка­ танки:

Таблица 8.25

няются следующие виды изоляции: из термопластичного полиэтилена; блоксополимер пропилена с этиленом; сшитый полиэтилен, получен­ ный различными способами, этиленпропиленовые резины. Начаты ра­ боты по применению в составе изоляции тефаблоков, экструдирован­ ного термопластичного полиуретана и термоэластопластов.

По л и э т и л е н — кристаллический полимер линейного строения

снебольшим числом боковых ответвлений. В зависимости от мето­ да получения степень кристалличности может находиться в пределах 55-92%. Многие физические свойства полимеров, в том числе поли­ этилена, зависят от молекулярного веса, степени кристалличности и во многом определяются методом их получения. Полиэтилен — про­ дукт полимеризации этилена:

Сырьемдля производства полиэтилена является этилен, выделяемый из газовых смесей, получаемых при пиролизе и крекинге нефтепродук­

тов, попутных и природных газов. Благодаря своим исключительным свойствам, легкости переработки и доступности сырья, полиэтилен на­ ходит широкое применение в различных отраслях промышленности. Удачное и редкое сочетание в полиэтилене химической стойкости, ме­ ханической прочности, морозостойкости, хороших диэлектрических свойств, стойкости к радиоактивным излучениям, чрезвычайно низкие газопроницаемость и влагопоглошение, легкость и безвредность дела­ ют полиэтилен незаменимым в электротехнической промышленности при производстве кабелей и проводов различного назначения, объемы выпуска которых и номенклатура постоянно возрастают.

Известно три основных метода производства полиэтилена. Они различаются характером используемых катализаторов и соответствен­ но условиями проведения процесса полимеризации и последующих стадий процесса производства. Если для инициирования процесса полимеризации применяется кислород или различные перекисные соединения, то процесс полимеризации проводится в довольно жест­ ких условиях — при высоком давлении (до 1500 атм.) и температуре до 200 °С (метод высокого давления).

Использование в качестве катализаторов металлоорганических со­ единений (алкилов и гамогеналкилов алюминия) в смеси с хлоридами титана (или других соединений тяжелых металлов переменной вален­ тности) позволяет проводить процесс при низком давлении (ниже 10 атм.) и температуре не выше 100°С (метод низкого давления).

При применении окислов металлов как катализаторов, например, окислов хрома, нанесенных на алюмосиликат, процесс полимериза­ ции этилена ведут при 30—50 атм. и 120—150°С. Этот метод называется методом производства полиэтилена при средних давлениях (иног­ да его относят к методу низких давлений). В зависимости от метода производства полиэтилена конечный продукт обладает различным комплексом свойств. Так, полиэтилен высокого давления является наиболее легким материалом (плотность 0,92 г/см3), эластичным, но обладает меньшими прочностью и теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом низкого и среднего давлений. Полиэтилен низкого и среднего давлений обладает прочностью, почти в два раза превышаю­ щей прочность полиэтилена высокого давления. Его теплостойкость также выше, чем у полиэтилена высокого давления, на 15—20 °С. Он является более жестким материалом, плотность его колеблется в пре­ делах 930 — 970 кг/м3.

В кабельной технике применяют не чистый полиэтилен, а различ­ ные композиции на его основе. Поскольку в процессе переработки и эксплуатации под воздействием тепла и кислорода воздуха проис­ ходит термоокислительная деструкция полиэтилена, то необходимо применять специальные стабилизаторы — антиоксиданты, сдержива­ ющие окисление полиэтилена. Композиции полиэтилена для кабель­ ной промышленности содержат антиоксиданты в количестве 0,05— 0,3% (по массе). Следует учитывать, что количество антиоксиданта в изоляции может существенно уменьшиться из-за миграции его из полиэтилена. Для большинства антиоксидантов максимум его расхо­ да приходится на 60—80°С.

Наиболее широко в настоящее время как стабилизаторы исполь­ зуют диафен НН и НОНОКС WSP. Первый из них под воздействием света изменяет окраску и поэтому не рекомендуется для окрашенной изоляции; рецептурам с его применением присвоен индекс 01. Вто­ рой можно применять в окрашенной изоляции; рецептурам с его при­ менением присвоен индекс 02. Используются композиции, содержа­ щие в качестве антиоксидантов сантонокс (рецептура 04), тиоалкофен МБП, НГ-2246 и др.; отечественные стабилизаторы-фенозан-30, АО-40, ФАУ-13 (рецептуры соответственно 93, 94 и 95). Наибольший стабилизирующий эффект достигается при комбинации различных стабилизаторов в оптимальных соотношениях.

В ряде стран в некоторые композиции кабельного полиэтилена иногда вводят добавки, снижающие каталитическое воздействие меди на термоокислительную деструкцию полиэтилена. Однако в отечест­ венной практике такие добавки не применяют.

Несмотря на наличие антиоксидантов, скорость окисления поли­ этилена резко возрастает при воздействии солнечного света, в част­ ности ультрафиолетовой части спектра. Для придания полиэтилено­ вым композициям светостойкости в них вводят технический углерод (сажу), стабилизирующий эффект которого основан на поглощении энергии солнечного спектра. Наилучшие результаты дает применение технического углерода с размером частиц 10—30 нм. Наиболее ши­ роко применяют канальную газовую сажу (в отечественной практике сажа марки ДГ-100), а также печную сажу, например, марки ПМ-100 или ПМ-100В. В композиции для оболочек и защитных покровов вво­ дя'1'2—2,5% технического углерода (индекс рецептуры 10), а для свето­ стойкости изоляции — 0,5% технического углерода.

Кроме рассмотренных выше выпускаются различные композиции полиэтилена, в которых применены специальные добавки для при­ дания им специфических свойств: для самозатухания в композицию вводят специальные добавки — антипирены; композиции, обладаю­ щие электропроводящими свойствами, содержат технический углерод в количестве до 36% (по массе); композиции для получения вспенен­ ной изоляции содержат порообразователи, т.е. вещества, которые при температуре переработки разлагаются с выделением значительного количества газообразных продуктов, и др.

Основные марки полиэтилена для кабельной промышленности всо­ ответствии с ГОСТ 16336-77 приведены в табл. 8.26. Обозначение марки композиции состоит из первых трех цифр, обозначающих базовую мар­ ку, и двух цифр, обозначающих марку рецептуры, например, 153-02 К.

Таблица 8.26

* П р е д у с м о т р е н а т а к ж е с а м о з а т у х а ю щ а я к о м п о з и ц и я м а р к и 1 0 7 -6 1 К . * * М е т о д п о л у ч е н и я с у с п е н з и о н н ы й .

* * * М е т о д п о л у ч е н и я г а з о ф а з н ы й .

Для изоляции кабельных изделий, применяемых в нефтегазовой индустрии, используются марки и рецептуры материалов, облада­ ющие наилучшим комплексом свойств для эксплуатации в воде; в скважинной жидкости; на открытом воздухе: стойкостью к растрес­ киванию, высокими механическими и электрическими свойствами, чистотой и минимальным количеством стабилизирующих добавок.

С точки зрения использования полиэтилена для изоляции кабе­ лей силовых установки электроприводного центробежного насоса,

обмоточных проводов, самонесущих изолированных проводов одним из важнейших параметров изоляционного материала является стой­ кость к растрескиванию. Стойкость полиэтилена к растрескиванию связана с целым рядом факторов, в частности, хорошо известно, что она пропорциональна молекулярной массе. Молекулярная масса по­ лиэтилена косвенно может определяться по показателю текучести расплава, который выражается массой вещества, проходящего при 190 С в течение 10 мин. через стандартное сопло. Наилучшей стой­ костью к растрескиванию обладает полиэтилен с индексом расплава 0,3—0,7 г/10 мин., который и применяется в производстве кабельных изделий для нефтегазового комплекса. Характеристики композиций полиэтилена даны в табл. 8.27.

П о л и п р о п и л е н и б л о к е о п о л и м е р п р о п и л е н а с э т и л е н о м . Основным представителем большого класса по­ лимерных материалов-полиолефинов наряду с полиэтиленом яв­ ляется полипропилен, сополимеры пропилена с этиленом. По­ лиэтилен и полипропилен существенно отличаются друг от дру­ га по свойствам. Полипропилен имеет более высокие жесткость, твердость, теплостойкость, температуру плавления и стойкость к растрескиванию. Полиэтилен имеет лучшую морозостойкость, высокую стабильность к свето— и термостарению. Механическим перемешиванием полиэтилена и полипропилена в большинстве случаев не удается получить материал, сочетающий свойства дан­ ных двух полимеров (а-полиолефинов).

В конце 50-х годов были получены образцы нового класса сопо­ лимера пропилена и этилена, синтезированных путем их последова­ тельной полимеризации. Эти полимеры стали называть блоксополимерами, хотя практически, как было установлено в последующие годы, они являются композициями гомополимеров и блоксополимеров. Такие композиции в широком диапазоне сочетают в себе свойства полипропилена и полиэтилена и намного превосходят по свойствам механические смеси полипропилена и полиэтилена. Для них характерны повышенная стойкость к растрескиванию, хорошее качество поверхности изделий, высокая прочность при динамичес­ ких испытаниях на изгиб, низкая усадка, высокие ударная вязкость

морозоустойчивость. Изделия из блоксополимера более стойки

оразованию трещин, чем полипропилен. Шланги и трубки из сополимера выдерживают расширение замерзшей воды.

Таблица 8.27

Следует отметить, что при гибкости, свойственной полиэтилену, изоляция кабельных изделий из блоксополимера обладает высокой стойкостью к растрескиванию, допускает их использование при бо­ лее высокой температуре в течение продолжительного времени. Бо­ лее высокие механические свойства блоксополимеров сочетаются с химической инертностью и высокой стойкостью к грибкам плесени, бактериям и таким насекомым, как термиты. Блоксополимеры обла­ дают высокой стойкостью к прорезанию, раздавливанию и истиранию в широком интервале температур. Информация о разработках, иссле­ дованиях, освоении производства кабельных изделий с изоляцией из полипропилена, блоксополимеров пропилена с этиленом дана в серии публикаций [61, 90]. В вышеуказанных публикациях рассмот­ рены свойства различных композиций данного материала и способы получения блоксополимера пропилена с этиленом.

Блоксополимер получают периодическим или непрерывным спо­ собом. Периодическим способом синтез можно проводить в одном или двух реакторах. В одном реакторе порядок проведения синтеза следующий: реактор заполняют инертным разбавителем (гептан, гек­ сан, бензол, циклогексан, бензин и т.п.), вводят определенную пор­ цию катализатора, мономер, например П, и ведут его полимеризацию. Затем удаляют остатки П из зоны реакции тем или иным способом и вводят в реакцию Э, который полимеризуют в течение заданного вре­ мени и получают композицию П-Э. Если П удаляют не полностью, то на второй стадии ведут сополимеризацию П и Э и получают компо­ зицию П-ЭП. Такие же композиции могут быть получены в двух пос­ ледовательно расположенных реакторах. В этом случае первая стадия полимеризации П проводится в первом реакторе. После ее заверше­ ния суспензия ПП перегружается во второй реактор, где проводится сдувка П и полимеризация Э или смеси Э с П. Двухреакторная схема обладает большей производительностью, чем однореакторная.

Непрерывную сополимеризацию П и Э иногда проводят в одном реакторе. Известно применение трехреакторной схемы и многореак­ торной схемы получения блоксополимера, например, в шести после­ довательно расположенных реакторах.

Для получения пропилен-этиленовых блоксополимеров использу­ ют катализаторы, содержащие галогениды Tj и А1. Они очень стабиль­ ны в отсутствие мономера, и присоединение различных мономеров при их использовании происходит по одинаковому механизму. Ком­

сополимер 02015-216 К сополимер 02015С-217 Кэ сополимер 02018-216 К сополимер 02018-301 К сополимер 02040Д-231 К сополимер 02015-302 К-М сополимер 02018-302 К-М

Последние две композиции устойчивы к воздействию повышен­ ной температуры окружающей среды в присутствии ионов меди (М). Обозначение композиции состоит из названия материала: «сополи­ мер»; первая цифра «0» указывает на то, что процесс полимеризации протекает на металлоорганическом катализаторе при среднем дав­ лении; вторая цифра «2» указывает вид материала — блоксополимер пропилена; три последующие цифры обозначают десятикратное зна­ чение показателя текучести расплава; буква «К» обозначает примене­ ние композиций сополимеров в кабельной промышленности. Харак­ теристики композиций приведены в табл. 8.27

С ш и т а я п л а с т м а с с о в а я и з о л я ц и я . Изоляции кабелей и проводов, выполненной из термопластичных материалов, присущи некоторые недостатки, предопределяемые самой природой термо­ пластов, главными из которых являются ползучесть и резкое ухудше­ ние механических свойств при температурах, близких к температуре плавления, вплоть до потери формоустойчивости. Внутренние напря­ жения, «замороженные» в изоляции при ее изготовлении, проявля­ ют себя при повышенных рабочих температурах, приводя к заметной усадке, а в ряде случаев и к растрескиванию изоляции. На практике часто не используются в полной мере нагревостойкость термоплас­ тичной изоляции, так как потребители иногда предпочитают снизить токовую нагрузку с целью облегчить условия эксплуатации и полу­ чить благодаря этому запас по надежности.

Даже кратковременный случайный нагрев изоляции выше темпе­ ратуры плавления, например, из-за короткого замыкания либо других факторов приводит к выходу кабельного изделия из строя. На рис. 8.12 приведены термомеханические кривые, показывающие преимущес­ тва сшитых материалов, которые сохраняют способность сопротив­ ляться продавливающей нагрузке даже при температуре, превышаю­ щей температуру плавления, в то время как несшитая изоляция при этом продавливается. За счет применения специальных термостаби-

Рис.8.12 Зависимость толщины изоляции D от температуры Т

при воздействии продавливающей нагрузки:

/ — полиэтилен низкой плотности; 2 — полиэтилен высокой плотности; цифры на

кривых гель-фракция, %

лизаторов обеспечивается увеличение длительно допустимой рабочей температуры полимера со сшитой структурой. Лучшее качество пос­ ледних обеспечивается возникновением трехмерной структуры бла­ годаря образованию поперечных связей между молекулами по схеме:

-СН2СН2— сн2 - СН2— С Н - сн2— сн-

Поскольку макромолекулы полимеров довольно стабильны и не могут реагировать друг с другом, для проведения реакции сшивания необходимо активировать их тем или иным способом. К настоящему времени созданы и нашли промышленное применение несколько тех­ нических способов перевода макромолекул в реакционноспособное состояние, условно разделяемых на физические и химические. Для осуществления реакции сшивания нужно либо создать в молекулах полимера реакционноспособные центры, взаимодействие которых приводит к химической реакции между отдельными макромолекула­ ми с образованием поперечных связей, либо ввести в исходные мак­

ромолекулы такие реакционноспособные (функциональные) группы, которые в определенных условиях способны взаимодействовать меж­ ду собой и образовывать поперечные связи.

Как указано ранее в кабельной технике реализованы три способа сшивания: химическая реакция между макрорадикалами, образую­ щимися вследствие взаимодействия молекул полимера с продуктами распада термически неустойчивых органических пероксидов (пероксидное сшивание); химическая реакция между привитыми к макро­ молекулам силаносодержащими органофункциональными группами (силанольное сшивание); рекомбинация макрорадикалов, возникаю­ щих в полимере в результате воздействия ионизирующего излучения. Каждый из этих способов в сравнении с другими имеет свои преиму­ щества и недостатки, а конкретные технологические приемы их реа­ лизации рассмотрены в публикациях [34, 90].

Независимо от способа сшивания в полимере образуется трехмер­ ная структура, и он теряет способность течь при превышении темпе­ ратуры плавления. Сшивание происходит преимущественно по амор­ фным областям, хотя вид связей и их количество, а следовательно, и густота образующейся сетки зависят от способа получения полимера со сшитой структурой.

Существуют различные косвенные методики определения степе­ ни сшивания, основанные на изменении свойств полимера при об­ разовании пространственной структуры. Одним из наиболее широко используемых методов контроля является определение содержания гель-фракции, т.е. нерастворимой части, так как по мере сшивания полимера утрачивается его способность растворяться. Для полиэти­ лена растворение проводят в кипящем ксилоле либо толуоле в течение 16 ч., а затем путем взвешивания определяется сшитая фракция, кото­ рая должна быть не менее 60%.

Широкое распространение получил способ, основанный на изме­ нении механических характеристик при температуре, превышающей температуру плавления. Стандартами МЭК 811-2-1 и ГОСТ Р МЭК 811-2-1 предусмотрено испытание сшитого полиэтилена на тепло­ вую деформацию: образец длиной 75 мм, шириной 4 мм, толщиной 0,8-2,0 мм помещается в термостат при температуре 200°С. К образцу подвешивается груз, чтобы нагрузка составляла 20 Н/см2. Удлинение образца через 15 минут не должно превышать 175%, а после снятия груза — не более 15%.

Технологический процесс изготовления сшитой изоляции из ком позиций полиэтилена, содержащих пероксиды, выполняется на ли ниях кабельных непрерывной вулканизации, совмещающих процесс наложения изоляции и процесс сшивания (вулканизации). Такой по­

лиэтилен иногда называют вулканизирующимся, а процесс сшивания

— вулканизацией.

Пероксидное сшивание реализовано в мировой кабельной про­ мышленности в процессе изготовления кабелей на напряжение 1- 400 кВ при сечении токопроводящих жил до 2500 мм2. Для освоения производства с использованием пероксидного сшивания требуются высокие первоначальные инвестиции на технологическое оборудова­ ние; значительная производственная площадь; запуск и отключение оборудования производятся со значительными отходами; требуется большой расход электроэнергии, воды, газа.

Процесс экономически выгоден при изготовлении кабелей среднего и высокого напряжения при переработке более 1000 т изоляционного материала в год; рационален при непрерывной работе линии вулкани­ зации в течение 120—170 часов; выпуске продукции с крупными сече­ ниями токопроводящих жил. Отечественными кабельными заводами пероксидное сшивание применяется при изготовлении кабелей на на­ пряжение 10 и 110 кВ. Для изготовления кабелей при сечениях жил 6- 50 мм2 на напряжение 3,3—5 кВ применение данного технологического процесса нецелесообразно по технико-экономическим показателям.

Р а д и а ц и о н н о е м о д и ф и ц и р о в а н и е . При воздействии ионизирующего излучения на полимеры протекают различные физи­ ко-химические процессы, практически полезным из которых является процесс сшивания макромолекул, реализуемый благодаря рекомбина­ ции свободных радикалов, возникающих при разрыве связей С-Н. Од­ новременно с этой полезной реакцией под воздействием излучений, к сожалению, неизбежно протекает и вредный процесс деструкции, обус­ ловленный разрывом валентных связей в главной цепи макромолекулы или в боковых ответвлениях, а также процесс изменения ненасыщенности, т.е. образование и трансформация двойных углеродных связей.

Соотношение скоростей этих полезных и вредных процессов, за^ висящих как от строения макромолекулы материала, так и от условии облучения, определяет возможность осуществления радиационного сшивания. Например, полиэтилен при умеренных дозах, как правило, сшивается, а поливинилхлорид преимущественно деструктируетс

Вводя специальные добавки (сенсибилизаторы) в ПВХ пластикаты, можно подвергнуть их сшиванию при малых поглощенных дозах без чрезмерной деструкции.

Для радиационного модифицирования полимеров могут быть ис­ пользованы различные источники ионизирующих излучений: ядерные реакторы, изотопные источники, ускорители различных типов. В кабельной промышленности нашли применение, главным образом, ускорители электронов и очень ограниченно — источники g-излуче­ ния. Преимущество последнего излучения в большей по сравнению с электронами проникающей способности, что позволяет проводить обработку крупногабаритных изделий. Недостатком изотопных ис­ точников g-излучения является небольшая мощность поглощенной дозы, что приводит к большой длительности процесса облучения для набора необходимой поглощенной дозы (десятки и сотни часов) и к необходимости принятия мер по предотвращению окисления поли­ мера в процессе облучения путем облучения в вакууме или в среде инертного газа. Поэтому наибольшее распространение в качестве ис­ точников излучения в кабельной промышленности получили ускори­ тели электронов с мощностью в пучке от 20 до 150 кВт.

Основными технологическими параметрами, определяющими производительность и качество (степень и равномерность) сшивания, являются поглощенная доза излучения, необходимая для радиацион­ ного модифицирования и выраженная в греях, радах или джоулях на килограмм, энергия электронов Е, обычно выражаемая в джоулях или электрон-вольтах, ток пучка электронов-1, гель-фракция (или другой параметр), определяющий степень сшивания, и др. [34]. Доза, необхо­ димая для радиационного модифицирования (технологическая доза), зависит как от свойств материала, так и от вида уровня технических требований, предъявляемых к готовому изделию (усадка, ликвидация текучести, снижение деформации, относительное удлинение и др.), обычно определяется на стадии исследований материала и разработ­ ки изделия. Выбор технологической дозы облучения всегда является результатом компромисса между различными свойствами.

Технологическая линия для радиационного модифицирования изоляции кабельных изделий с использованием электронного ускори­ теля состоит из приемного и отдающего устройств, системы направ­ ляющих роликов для транспортирования изделия через технологи­ ческие отверстия в радиационной биологической защите и многоро­

ликовой системы (или системы другого типа) для транспортирования изделия в зоне облучения. Несмотря на применяемые электромагнит­ ные системы развертки электронного луча, позволяющего повысить равномерность облучения поверхности изделия, следует учитывать, что даже заправка изделия при транспортировании в зоне облучения «восьмеркой», т.е. двухстороннее облучение, не исключает неравно­ мерности поля поглощенных доз [34,90].

Учитывая расширение номенклатуры, объемов производства и применения кабельных изделий низкого и среднего напряжения раз­ личного назначения с изоляцией из силаносшиваемого полиэтилена, преимуществ последнего по сравнению с радиационно модифици­ рованным полиэтиленом; сравнивая технологии изолирования, при­ меняемую оснастку, можно сделать вывод, что применение кабелей с радиационно модифицированной изоляцией в составе УЭЦН на бли­ жайшие периоды не имеют перспективы.

С ш и в а н и е ч е р е з п р и в и т ы е о р г а н о ф у н к ц и о н а л ь н ы е г р у п п ы . Сущность процесса заключается в том, что к макромо­ лекулам полиэтилена прививают органофункциональные группы, в качестве которых применяют органофункциональные силаны:

О-СНз

Эти вещества выбирают потому, что группы, показанные слева от Si, при определенных условиях могут легко присоединяться к макро­ молекуле ПЭ, а группы, показанные справа, легко подвергаются гид­ ролизу. Прививку органофункциональных групп обычно осуществля­ ют в присутствии небольшого количества пероксида дикумила при 160-170°C по реакции:

В присутствии воды происходит гидролиз привитых макромолекул по органофункциональным группам и последующее сшивание, что ускоряется присутствием катализатора (дилауратидибутилолово):

I

-> СН-СН2-СН2 - Si - О - Si - СН2-СН2 - СН+2СН,ОН+НгО.

I

Таким образом, на образование одной поперечной связи израс­ ходована одна молекула Н20 , при этом образовались две молекулы СН3 ОН. Следует отметить, что связь Si-0-Si очень стабильна, так как энергия связи составляет 780 Дж/моль, что заметно выше, чем у связи С-С (630 Дж/моль), образующейся при пероксидном и радиационном сшивании. Заметим также, что поскольку у каждого атома Si имеется

по три реакционноспособных группы, то в каждом узле сшивки мо­ жет быть соединено до шести макромолекул ПЭ, что отражается на механических свойствах (при пероксидном и радиационном сшива­ нии соединяются только по две макромолекулы).

Для протекания реакции сшивания требуется обеспечить поступ­ ление молекул воды к полифункциональным группам, что осущест­ вляется благодаря диффузии воды в ПЭ, поэтому скорость реакции сшивания будет зависеть как от коэффициента диффузии, так и от геометрических размеров кабеля (прежде всего от толщины изоля­ ции). На рис. 8.13 показано изменение гель-фракции ПЭНП от вре­ мени сшивания в различных условиях (различный коэффициент диф­ фузии), а на рис. 8.14 дана зависимость длительности сшивания в воде при +100 °С ПЭНП от толщины изоляции. Ориентировочно длитель­ ность сшивания t, ч можно определить по формуле:

где Д — толщина изоляции, м; W — относительная влажность, %; к — постоянная диффузия, которая для ПЭНП при температурах 95, 90, 75 и 20 °С соответственно равна 1,2; 1,0; 0,8 и 0,1-Ю'4.

Готовая композиция, содержащая как привитой полиэтилен, так и катализатор сшивания, как видно из рис. 8.13 (кривая 4), не подлежит хранению свыше нескольких часов, так как даже влаги, имеющейся в воздухе и в ПЭ, достаточно для протекания реакции сшивания. Поэ­ тому разработано несколько специальных технологических схем, поз­ воляющих реализовывать этот способ на практике.

Д в у х э т а п н ы й п р о ц е с с « С И О П Л А С » (Sioplas). Использование силанов в качестве сшивающих агентов для моди­

фикации полиэтилена является превосходным и экономичным средс­ твом для улучшения полимера, который сам по себе уже является универсальным и гибким в применении. Новейшие силановые смеси содержат специальные добавки, которые улучшают характеристики изоляционного материала в составе кабеля. Силановая технология вы­ годно отличается более низкими капитальными и производственны­ ми затратами, гибкостью производственного процесса, более высокой производительностью и прекрасными свойствами получаемой кабель­ ной продукции. На этапе наложения изоляции не требуется высокого

давления (пероксидное сшивание) и технология позволяет изготавли­ вать изделия с несимметричными осями (кабели с секторными жила­ ми). При производстве могут быть использованы полиэтилены любой плотности. Сшивание силанами реализуется при изготовлении кабе­ лей на напряжение 1—35 кВ. В настоящее время существует несколько хорошо зарекомендовавших себя методов изготовления кабельных из­ делий с изоляцией из силаносшиваемого полиэтилена.

При применении данного метода все материалы, входящие в со­ став сшитой полимерной изоляции, дважды подвергаются экструзии. На первом этапе гранулированный полиэтилен, пероксид, силан, ан­ тиоксиданты и необходимые добавки смешиваются, расплавляются, как правило, в одновинтовом экструдере. Получаемый материал гра­ нулируется, высушивается, упаковывается и хранится в сухом про­ хладном месте сроком не более шести месяцев. Аналогично готовится маточная смесь катализатора, состоящая из полиэтилена и катализа­ тора сшивания. На втором этапе производятся смешение гранул при­ витого полиэтилена и катализатора в соотношении 95:5, экструдирование и сшивание изоляций. Схема двухэтапного технологического процесса представлена на рис. 8.15.

Другие технологические схемы получения силаносшиваемой по­ лиэтиленовой изоляции рассмотрены в публикациях [34, 90] и их